국제테크노정보연구소 기술자료 출판부

       SMPS·DC-DC 강압/승압형 컨버터·트랜스의 설계
      스위칭 전원장치의 설계실무

동역메카트로닉스연구소 기술정보분석팀 편저        B5/415P        68,000원
 

스위칭 전원은 스위칭 소자가 스위칭 모드로 동작하므로 전력손실이 적고, 트랜스도 고주파 트랜스를 사용하기 때문에 소형경량으로 손실이 적으며, 효율이 높다고 하는 점 이외에, 넓은 입력전압 범위에 대응하기 때문에 탭이나 회로정수의 변경없이 입력전압이 다른 나라의 지역에서도 사용할 수 있다고 하는 특징이 있다. 또, 직류전원을 이용해야 할 곳이 많은 통신장치의 전원이나 배터리, 축전지 등의 직류전원을 사용하는 이동체나 휴대형 장치의 DC-DC 컨버터로서 스위칭 전원은 불가피한 전원으로, 에너지 절약이라는 시대의 요구에 부응하여 급속히 그 응용이 확산되어 왔다.
그러나, 스위칭 레귤레이터는 스위칭 소자나, 정류 다이오드, 트랜스, 초크코일 등에서 노이즈를 발생시키므로 이 노이즈가 다른 회로에 방해를 준다고 하는 큰 결점이 있다. 특히 미약한 입력신호를 다루는 아날로그 회로에서는 노이즈나 리플이 안정도에 영향을 주기 때문에, 고안정화하기 위해서는 회로방식의 개량과 필터, 실드 등으로 이러한 영향을 저지해야 하는 연구도 필요하다.
그리고, 스위칭 전원은 회로 부품수의 증가로 신뢰성이 떨어진다고 알려져 있으며, 전해콘덴서와 같은 부품의 온도상승 등도 신뢰성을 떨어뜨린다. 동일 크기의 전원모듈에서는 효율이 좋은 스위칭 전원이 온도상승이 적어 신뢰성을 높일 수 있다. 그러나, 스위칭 레귤레이터는 부품이 소형이므로 적합한 크기보다 작으면 내부손실이 커져 온도상승이 커지며, 트랜스의 중량이나 치수도 신뢰성과 효율을 저하시키는 요인이 된다.
스위칭 전원은 DC-DC 컨버터의 회로구성이나 제어방식에 따라 많은 종류가 있다. 이들의 방식은 다시 조합되어 많은 다른 방식을 창출한다. 따라서 스위칭 전원을 설계할 때는 각각의 특징을 잘 파악하여 효과적인 조합으로 설계할 필요가 있다.

본서는 가장 널리 사용되는 방식으로, 비교적 중소형의 출력전력용에서 많이 볼 수 있는 RCC(Ringing Choke Converter) 방식인 플라이백 컨버터(fly-back converter)와, 비교적 규모가 큰 컴퓨팅 머신 등의 중대형 전원에 이용하는 FFC(Forward Coupled Converter) 방식을 중심으로, 앞서 언급한 문제점과 스위칭 전원의 해결 과제인 소형경량, 고안정도, 고효율, 고신뢰성을 가진 스위칭 전원 설계를 목표로 그 설계방향과 세부적인 회로정수를 구하는 방법에 대해 많은 사례를 들어 실무 위주로 해설한다.
제1부에서는 스위칭 전원의 전반적인 기본 설계법을 알고자 하는 엔지니어와, 스위칭 전원모듈을 활용하는 엔지니어들을 대상으로 폭넓게 해설하고 있으며, 제2부에서는 전문 설계자를 위하여, 강압형과 승압형, 그리고 다출력형과 극성반전형 DC-DC 컨버터의 구성방법과 PWM IC 사용법, 배터리와 같은 저전압 전원회로에서 고효율의 승압형 DC-DC 컨버터를 설계하기 위한 파워 MOSFET의 사용법 등, 여러 종류의 전원회로에 대응 설계가 가능하도록 회로정수 산출법 등을 해설한다. 제3부에서는 설계 제작된 많은 사례를 소개하고 있으며, 이들을 활용함으로써 어떤 전원 설계에도 대응할 수 있도록 완전한 회로 공개와 구체적인 회로정수를 구하는 방법을 제시하고 있다. 특히, 스위칭 전원에서는 트랜스와 코어가 들어있는 초크(인덕터)가 많이 사용되고 있지만, 코어가 있는 인덕터의 설계 방법은 그리 간단하지 않다. 고주파용 인덕터를 설계하는 경우도 동손과 철손, 코어의 포화, 그리고, 출력필터용의 인덕터는 직류성분과 교류성분 손실의 양자를 생각할 필요가 있으며, 공극(갭) 길이와 권수, 인덕턴스, 중첩전류 등의 사이에 서로 모순이 있어, 최적한 값을 결정하기가 어려운 것이 현실이다. 그래서 본서에서는 이 부분에도 많은 페이지를 할당하여 코일을 감는 법까지 실무 위주로 가급적 명쾌하게 파헤치고 있다.

기술자료 신청 안내

주요 내용

제1부: 스위칭 전원 설계의 기본지식

■ 스위칭 전원을 이해하기 위한 기초지식

스위칭 레귤레이터를 선호하는 이유, 스위칭 레귤레이터의 입출력 전압 변동, 인덕턴스의 성질과 역기전력의 이해, 인덕턴스에 있어서 충방전 전압의 이해
트랜스가 없는 간단한 회로부터 철저한 이해: 강압형 스위칭 레귤레이터, 승압형 스위칭 레귤레이터, 극성반전형 스위칭 레귤레이터
회로가 비슷해도 동작이 전혀 다른 회로에 주의, 입력전압과 출력전력으로 회로방식을 결정

■ 스위칭 전원회로의 구성과 특징

회로 구성에 의한 특징, 자려형 DC-DC 컨버터의 장단점, 부품수가 적은 Ringing Choke Converter(RCC), RCC 회로의 정전압화에 의한 IP 컨트롤
변압기의 포화를 이용한 DC-DC 컨버터, 자기증폭기에 적합한 DC-DC 컨버터, 자기증폭기를 이용한 안정화 회로와 그 특징
포화 자속밀도(BS)에 대하여, 잔류자속(Br)에 대하여, 보자력(HC)에 대하여, 타려형 스위칭 레귤레이터와 그 특징

■ 스위칭 전원장치의 기본 설계법

평활회로의 콘덴서 용량을 결정하는 방법, 입력 필터용 콘덴서의 실용적인 설계 방법, 고주파용 변압기의 최적 설계법
구체적인 변압기 설계법의 사례: 포워드 타입의 설계 사례, 브리지 타입의 설계 사례
코어가 있는 인덕터의 최적 설계 방법, 구체적인 초크코일의 설계 방법

■ 펄스폭 제어회로와 보호회로

펄스폭 제어회로와 제어용 IC의 사용법, 제어용 보조전원과 기동회로, 과전류 보호회로와 과전압 보호회로

제2부: 스위칭 전원의 구체적인 설계 실무

■ RCC 방식(플라이백 컨버터) 전원 설계

플라이백 컨버터의 동작: RCC 방식의 트랜지스터 ON 상태의 동작, 트랜지스터 OFF 상태의 동작, 정전압 제어의 구조와 회로구성
헌팅(hunting)을 방지하기 위한 위상제어 대책, 실제의 RCC 방식 전원회로 설계
평활용 콘덴서의 결정 방법, RCC 방식 전원회로의 트랜스 설계법, 2차코일의 계산, 그 외의 코일 계산 방법, 코어 공극(gap)의 계산, 기타 부품의 설정 방법
무부하시 및 전체 부하시의 실제 특성, MOSFET를 사용한 RCC 방식 전원장치의 사례
MOSFET와 바이폴러 트랜지스터의 비교, RCC 방식의 문제점: 간헐발진, RCC 방식의 스위칭 전원장치의 회로, 정전압 제어의 동작원리, 실제의 동작 파형

■ FCC 방식(포워드 컨버터) 전원 설계

포워드 컨버터의 동작원리와 설계 포인트: 포워드 컨버터의 기본동작, 출력전압의 결정, 트랜스에 대한 축적 에너지,  자기 리셋와 리셋회로, 동작 파형에서 고찰
회로 설계의 순서와 주의사항: 사양의 결정, 제어회로용 IC에 대하여, 트랜스의 설계, 2차측 평활용 코일의 계산, 트랜지스터와 다이오드의 선정, 기타 부품의 선택, 시제한 전원장치의 특성과 평가 

■ DC-DC 컨버터의 설계법과 응용

강압형 DC-DC 컨버터의 회로동작 해설: 강압형 DC-DC 컨버터의 기본구성, 메인 스위치 파워 MOSFET의 역할과 동작원리, PWM 제어회로의 역할과 동작원리, 전압설정용 저항과 프리힐 다이오드(free wheel diode)의 역할, 초크코일과 평활콘덴서의 역할과 동작원리
3.3V·1A의 강압형 DC-CD 컨버터의 설계와 제작: 메인 스위치 소자 파워 MOSFET의 선택. PWM 제어소자와 주변회로, 초크코일의 동작과 선정법, 출력 평활콘덴서의 선정, 프리휠 다이오드의 선정
시험 제작한 강압형 DC-DC 컨버터의 평가: 효율, 레귤레이션, 노이즈 특성, 출력전압을 2.5V로 낮추었을 때 효율의 변화
특성 개선을 위한 노하우: 스파이크 노이즈의 원인과 대책, 효율을 높이는 방법
승압형 DC-DC 컨버터의 설계: 승압형 컨버터의 기본동작, 초저전압 0.9V에서도 동작하는 승압형 컨버터 제어용 IC
극성반전형 DC-DC 컨버터의 설계: 극성 반전형 컨버터의 기본동작, 극성반전형 DC-DC 컨버터용 제어 IC
2출력과 리셋 출력이 부가된 강압형 DC-DC 컨버터: 3.3V/2.5V 동시출력 DC-DC 컨버터 M62293FP
파워 디바이스 내장 5V 3A 출력의 DC-DC 컨버터: 사양과 파워 IC의 특징, 설계 방법과 부품 선정, 파형 관측에 의한 평가와 확인 방법, 더욱 확실하게 동작시키기 위한 노하우
강압 & 극성 반전형 DC-DC 컨버터: 강압 & 극성 반전형 파워 IC, 응용회로, 설계 포인트, 측정에 의한 평가와 확인, 더욱 확실히 동작시키기 위한 노하우

■ 스위칭 전원용 PWM IC의 사용법

입력회로의 설계와 부품선정: 퓨즈의 선정, 노이즈 필터의 선정, 정류 평활회로의 부품 선정, 돌입전류 억제회로
변환회로의 설계와 부품 선정: 스위치 소자의 선정, 트랜스의 설계와 선정, 2차 정류회로의 설계와 부품 선정, 평활회로의 설계와 부품 선정
PWM IC와 주변회로의 설계: 컨트롤용 PWM IC μPC1905/06CX의 내부구성, 삼각파 발진기기의 구성, 과전류 보호(OCP) 기능, 소프트스타트 기능, 출력전압의 검출과 제어(F/B), 출력회로의 구성과 부품 선정, 리모콘(R/C) 기능, 과전압 보호회로(OVP) 기능
PWM IC를 확실히 동작시키기 위한 노하우: 기동/정지회로(UVLO)의 동작과 정수 설정, 삼각파 발진기(OSC)의 동작과 정수 설정, 과전류 보호회로(OCP)의 정수 설정, 출력전압의 제어(F/B) 동작, 부품 배치와 프린트기판 패턴 설계의 노하우

■ 파워 MOSFET의 저전압 배터리 구동법

전력관리에 필수적인 소자 파워 MOSFET, 전원라인의 ON/OFF 스위치용 파워 MOSFET: 채널에 의한 ON/OFF 제어, 충방전은 2개의 FET에 의한 쌍방향 제어, 3.6V 전원에는 2.5V 구동품, 3V 전원에는 1.8V 구동품이 적합, 파워 MOSFET는 저온에서 ON하기 곤란, 고온에서 ON하기가 용이
승압형 컨버터의 전지전압 저하시의 효율악화 대책: 입력전압이 낮아지면 효율이 악화, 게이트 구동전압을 높여서 효율 개선, 임계치 전압과 효율의 변화
대전류 응용에서는 부유 인덕턴스의 저감이 열쇠

제3부: 스위칭 전원의 구체적 설계 사례

■ RCC 방식 스위칭 전원회로의 설계

RCC 방식의 회로의 구성과 동작: AC 라인필터, 정류 평활회로, 메인 스위칭 회로, 스나버(snubber) 회로, 2차측 정류평활회로, 전압검출회로
트랜스의 제작법: 트랜스를 제작하기 위한 재료와 공구, 트랜스의 제작법, 제작한 트랜스의 특성 체크, 트랜스 코어의 카탈로그 데이터를 보는 방법
히트싱크와 기판의 레이아웃: 히트싱크(방열기), 프린트 기판의 설계상 주의
전원의 특성 측정방법과 평가: 5V·3A 전원의 측정결과

■ RCC 방식 전원의 회로정수 산출법

RCC 방식의 발진원리, RCC 방식과 관련된 계산식, 트랜스와 관련된 계산식, 정류 브리지 회로정수, 콘덴서의 리플전류, 드라이브 회로정수
스위칭 트랜지스터의 동작과 손실, 스나버 회로정수, 2차측 정류 다이오드의 실효전류, 2차측 정류 다이오드의 리커버리 특성, 2차측 평활콘덴서의 리플전류

■ 90V∼270V의 프리볼트 입력방식 와이드 입력형 RCC 전원회로의 설계

시제한 전원회로의 제작 흐름: 시제한 회로의 동작 개요, 트랜스의 설계 포인트
발진의 메커니즘과 발진주파수: RCC 방식의 발진 원리, 발진주파수의 계산
트랜스의 권수비와 인덕턴스 : 권수비의 결정 방법과 스위칭 트랜지스터의 정격 확인, 귀환코일과 전압검출 코일, 1차코일의 인덕턴스
트랜스 코어와 코일의 결정: 코어 크기의 선택법, 코일의 선지름
트랜스의 제작 기술: 안전규격, 연면거리, 절연테이프, 샌드위치 감이, 코일을 감는 방법
트랜스 코어 갭의 계산과 포화전류의 확인: 코어 갭의 계산, 코어 포화전류의 확인
트랜스의 누설 인덕턴스와 절연저항 및 내압 측정: 누설 인덕턴스, 절연저항과 절연내압
시험제작한 회로의 평가: 라인 레귤레이션과 로드 레귤레이션, 입력전압과 발진주파수, 효율과 리플 특성

■ 전용 IC를 사용한 RCC 전원회로 설계

MA1020를 사용한 12V·2A 스위칭 전원회로의 설계: MA1020의 특징, 회로동작과 보호기능, MA1020를 사용한 12V·2A 전원장치의 제작
TDA4605를 사용한 24V·5A 스위칭 전원회로 설계: TDA4605의 특징 및 내부 블록과 기능, TDA4605에 의한 24V·5A 전원회로 설계, 파형 관측과 측정결과

■ 자기증폭기(Magnet Amp)를 응용한 FCC 방식 스위칭 전원회로의 설계

FCC 방식(Forward Coupled Converter) 전원회로: FCC 방식 스위칭 전원의 동작원리, FCC 방식 스위칭 레귤레이터 회로의 간소화
자기증폭기의 동작과 FCC 전원회로에 응용: 자기증폭기(Megnet Amp)의 기본적인 이미지, 자기증폭기의 동작원리, 스위치로서 자기증폭기의 스위칭 전원회로에 응용
전원회로 구성과 동작원리: 1차측 회로의 동작에 대해, 2차측 회로의 동작에 대해, 과전류 보호회로
절연 트랜스의 제작법: 코일과 선지름의 결정, 트랜스의 권선 방법
초크코일 T2의 제작법: 권수를 구하는 방법, 실제로 감는 방법
회로의 제작과 측정결과: 제작상의 주의점, 제작한 전원의 특성

■ 자기증폭기(Magnet Amp)의 동작과 FCC 방식 전원의 회로정수 산출법

자기증폭기의 스위칭 동작: 가포화 리액터의 성질, 가포화 리액터의 스위칭 동작, 가포화 리액터의 최대 전압·시간 곱, 가포화 리액터의 리셋 전류, 자기증폭기 유닛의 동작에 대해, 자기증폭기 유닛의 정전압 제어 구성
1차측의 발진회로, 코어의 카탈로그 값을 보는 방법과 트랜스의 설계: 철손을 구하는 방법, 동손을 구하는 방법

■ 전용 IC를 사용한 FCC 전원회로 설계

1차측 제어와 2차측 제어, μPC1099의 내부회로와 특성, 출력단의 구조, 파워 그라운드와 신호 그라운드, 과전류/과전압 보호회로, 발진회로의 구성
회로의 동작 해설: 돌입전류 방지회로, FCC 회로의 기동, 과전류 보호회로, 과전압 보호, 정전압 제어
트랜스와 코일의 제작법: 트랜스의 제작법, 초크코일의 제작법, 측정 데이터와 평가

기술자료 신청 안내

         관련 자료 목록           발간예정 관련 자료         국제테크노정보연구소 기술자료 출판부